溃疡性结肠炎(UC)是一种慢性、复杂性疾病,临床表现为体质量降低、腹痛、腹泻、黏液血便等,难治愈,高复发,易癌变,严重降低患者生活质量
[1, 2]。UC发病机制尚未探明,可能与免疫失衡、代谢紊乱等相关
[3, 4]。临床常采用皮质类固醇、氨基水杨酸等治疗UC,难以根治且副作用明显
[5]。因此,探究UC发病机制,寻找新的UC治疗药物迫在眉睫。
中药调治UC疗效确切,可减少不良反应,缩短治疗周期
[6-8]。中医将UC归于“痢疾”“泄泻”等范畴,分为脾虚湿蕴、大肠湿热等证候,采用清热利湿、益气健脾等治法辨证施治
[9]。隔山消[
Cynanchum wilfordii (Maxim.) Hook. F]是土家族传统中药材,味苦、甘,性微温,具有补气健脾、生肌敛疮等功效
[10]。现代药理学研究表明
[11],隔山消具有抗炎、免疫调节、胃肠道调节等作用,临床上用于腹痛、痢疾、肠炎等疾病的治疗。但隔山消发挥UC治疗作用的药效成分及作用靶点及环节尚不清晰。
因此,本研究通过UPLC-QE-MS分析隔山消主要成分,采用网络药理学挖掘其潜在作用靶点及信号通路,并以DSS诱导的UC小鼠为研究对象,通过代谢组学技术鉴定差异代谢物及通路,对其进行验证和分析,评估隔山消对UC小鼠的治疗效果,探究隔山消通过多成分、多靶点、多通路调节内源性代谢物水平发挥防治UC的作用机制,以期推动民族药的发展,为UC的临床治疗提供新思路。
1 材料和方法
1.1 仪器
高效液相色谱仪、色谱柱(waters);高分辨质谱仪(赛默飞世尔科技公司);漩涡振荡器(上海汗诺仪器有限公司);台式高速冷冻离心机(上海卢湘仪离心机仪器有限公司);全自动样品快速研磨仪(上海万柏生物科技有限公司);电子分析天平(梅特勒-托利多仪器有限公司);反渗透超纯水系统(美国密理博中国有限公司);冷冻浓缩离心干燥器(太仓市华美生化仪器厂);偏光显微镜成像系统(奥林巴斯);Western blotting全套装置(Bio-Rad)。
1.2 药材与试剂
隔山消采自恩施建始,经专家鉴定为萝藦科植物隔山消[Cynanchum wilfordii (Maxim.) Hook. F]的干燥根。甲醇、乙腈、甲酸(赛默飞世尔科技);L-2-氯苯丙氨酸(上海恒创科技有限公司);右旋葡聚糖硫酸钠(DSS, MP Biomedicals);美沙拉嗪肠溶片(葵花药业集团);粪便隐血试剂盒(上海茁彩生物科技);Anti -JAK2 Rabbit pAb、Anti -STAT3 Rabbit pAb 、Anti-beta Actin Rabbit pAb (武汉赛维尔生物)。
1.3 动物
SPF级雄性C57BL/6小鼠40只,8周龄,体质量20±2 g,购自辽宁长生生物科技有限公司,许可证号:SCXK(辽)2020-0001,于温度20±2 ℃,湿度50%~60%,12 h/12 h光暗周期环境下饲养。经湖北民族大学生物医学科研伦理审查通过(伦理批号: 2023053)。
1.4 方法
1.4.1 药物制备
将隔山消干燥药材粉碎为粗粉,60%乙醇渗漉提取至渗漉液无色,合并渗漉液,减压浓缩至流浸膏状,冷冻干燥,粉碎过四号筛,密封避光保存(相当于生药0.17 g/g)。
1.4.2 隔山消成分分析
1.4.2.1 供试品溶液制备
取“1.2”项下隔山消粉末加60%乙醇配置为生药浓度为1 g/mL的溶液。取100 μL样本于1.5 mL离心管中,加入900 μL 60%乙醇溶液(含混合内标,4 μg/mL),涡旋1 min,冰水浴超声60 min,-40 ℃静置30 min,离心10 min (12 000 r/min,4 ℃),取上清液,4 ℃静置过夜,离心10 min (12 000 r/min,4℃),取上清液过0.22 μm的有机相滤膜,即得。
1.4.2.2 色谱条件
色谱柱为ACQUITY UPLC HSS T3 (100 mm×2.1 mm,1.8 um);流动相为0.1%甲酸水(A),乙腈(B),梯度洗脱:0~2 min,5% B;2~4 min,5%→30% B;4~8 min,30%→50% B;8~10 min,50%→80% B;10~14 min,80%→100% B;14~15 min,100% B;15~15.1 min,100%→5% B;15.1~16 min,5% B;流速0.35 mL/min;柱温45 ℃;进样量5 μL。
1.4.2.3 质谱条件
HESI离子源,正负离子扫描模式,鞘气温度350 ℃,鞘气体积流量8 L/min,离子源温度320 ℃,干燥气体流量8 L/min,喷嘴电压3800 V(-3000 V),扫描范围m/z 100-1200。
1.4.3 网络药理学
1.4.3.1 软件及数据库
1.4.3.2 隔山消靶点与UC靶点筛选
将“1.4.2”项下鉴定出的主要成分的化学结构导入Swiss Target Prediction数据库,结合TCMSP数据库获取主要成分靶点
[12, 13]。于GeneCards、OMIM数据库获取UC基因。
1.4.3.3 隔山消调控网络构建
将隔山消作用靶点与UC基因取交集,运行Perl语言得到交集基因的有效成分及网络属性与结点属性文件,将所得作为输入文件导入Cytoscape绘制中药调控网络并进行拓扑分析。
1.4.3.4 蛋白互作网络分析
将交集基因录入STRING数据库,Organisms选择“Homo sapiens”,隐藏游离蛋白,构建PPI网络,基于R语筛选富集数目排名前30的核心基因。
1.4.3.5 GO与KEGG富集分析
通过R语言对基因进行转化编码,运行colorspace、ggplot2、BiocManage数据包以P<0.05进行GO功能和KEGG富集分析,P值越小富集越明显。
1.4.4 动物模型的制备、分组及给药
小鼠适应性喂养1周,随机分为正常组、模型组、美沙拉嗪组及隔山消组(
n=10),正常组每天自由饮用蒸馏水,其余各组自由饮用2.5% DSS溶液,连续7 d,诱导UC模型
[14]。美沙拉嗪组与隔山消组于造模第1天起固定时间灌胃,隔山消给药剂量以《现代中医药大辞典》最高剂量15 g/60 kg,以体表换算法得到2.28 g/kg小鼠灌胃剂量,灌胃体积为0.2 mL/10 g,醇提物相当于生药量0.17 g/g,因此配置药物浓度为19.0 mg/mL。美沙拉嗪临床等效剂量为200 mg/kg,正常组和模型组同法给予蒸馏水,连续7 d。
1.4.5 体质量变化率及DAI评分
每日记录小鼠体质量、大便性状及隐血情况,以Cooper评分法进行疾病活动指数(DAI)评分
[15],DAI=(体质量下降率评分+大便性状评分+便血评分)/3。
1.4.6 HE染色及AB-PAS染色
分离小鼠结肠组织,4%多聚甲醛固定,经透明、包埋、切片、染色、封片后显微镜观察。
1.4.7 Western blotting检测JAK2、STAT3蛋白表达
按照组织质量(mg):裂解液体积(μL):PMSF体积(μL)=10:100:1加入裂解液和PMSF液,BCA试剂盒测定浓度。蛋白质在100 ℃下变性10 min,用SDS-PAGE分离,以350 mA电流转移到PVDF膜上,用5%脱脂奶粉封闭1 h,TBST清洗3次,min/次。一抗稀释比例为1∶700,二抗稀释比例为1∶3000,一抗在4 ℃下孵育过夜,TBST清洗3次,二抗在室温下孵育1 h。
1.4.8 粪便代谢组学分析
1.4.8.1 粪便样本制备
称取粪便,加入甲醇-水 (V∶V=4∶1,含L-2-氯苯丙氨酸,4 μg/mL);研磨(60 Hz,2 min);超声10 min;离心10 min (12 000 r/min,4 ℃),取上清液用甲醇-水(V∶V=1∶4)复溶;离心10 min (12 000 r/min,4 ℃),取上清液,0.22 μm有机相针孔过滤器过滤后-80 ℃保存。所有样本提取液等体积混合制备质控样本(QC)。
1.4.8.2 色谱条件
ACQUITY UPLC HSS T3 (100 mm×2.1 mm, 1.8 μm)色谱柱;柱温45℃;流动相0.1%甲酸水(A),乙腈(B),梯度洗脱,0.0~2.0 min,95%A;2.0~4.0 min,95%~70%A; 4.0~8.0 min,70%~50%A;8.0~10.0 min,50%~20% A;10.0~14.0 min,20%~0%A;14.0~15.0 min,0% A;15.0~15.1 min,0%~95%A;15.1~16.0 min,95%A;流速0.35 mL/min;进样体积3 μL。
1.4.8.3 质谱条件
ESI离子源;样品质谱信号采集分别采用正负离子扫描模式;毛细管电压3.8 kV(-3.0 kV);毛细管温度320 ℃;辅气温度350 ℃;鞘气流速35 Arb;辅气流速8Arb;S-lens RF level (50);扫描范围m/z 100~1200;Full ms resolution (70 000);MS/MS resolution (17 500);NCE/stepped NCE (10、20、40)。
1.5 数据处理与统计学分析
基于UPLC-QE-MS建立粪便代谢组学研究方法,采用Progenesis QI V3.0软件(Nonlinear Dynamics, Newcastle, UK)进行基线过滤、峰识别、积分、保留时间校正、峰对齐和归一化。化合物的鉴定基于精确质量数、二级碎片以及同位素分布,使用HMDB、Lipidmaps(v2.3)、METLIN等数据库进行定性导入。SIMCA-P 14.0软件中进行主成分分析(PCA)和正交偏最小二乘判别分析(OPLS-DA),以VIP>1.0,FC<0.67或>1.50且P<0.05为标准筛选生物标志物。根据精确相对分子质量、自带数据库(mz Cloud)、HMDB数据库鉴定差异代谢物,将差异代谢物导入MetaboAnalyst 5.0软件中进行代谢通路富集分析。
计量资料采用SPSS 26.0处理,数据符合正态分布,则采用均数±标准差表示,方差齐性采用单因素方差分析,两两比较采用LSD检验,自身前后对照采用配对t检验;若数据方差不齐则采用Tamhane's T2 法检验,以P<0.05为差异具有统计学意义。
2 结果
2.1 隔山消醇提物成分分析
基于精确质量数、二级碎片以及同位素分布鉴定化合物,使用TCM数据库进行定性,共鉴定出240个化合物,其中高含量成分主要为甾体类,鉴定出甾体类成分19个(
表1)。
2.2 网络药理学分析
获得UC基因5406个,隔山消(高含量甾体类成分)靶点177个,隔山消与UC交集基因117个(
图1A)。隔山消调控网络含398条边(隔山消与UC的相互作用)、135个结点(隔山消成分和UC基因,
图1B)。以交集基因构建PPI网络(
图1C),筛选核心PPI,包括JAK2、STAT3、JAK1等(
图1D)。得到2049条GO富集分析条目,包括BP 1848条、CC 62条、MF 139条(
图2)。获得KEGG通路101条,包括脂质与动脉粥样硬化等信号通(
图3)。
2.3 体质量变化率及DAI评分
正常组小鼠毛色光泽,精神状态良好;模型组小鼠精神萎靡,毛色暗沉,伴随少动、血便等状况。与正常组比较,模型组小鼠体质量变化率显著下降、DAI评分显著上升(
P<0.05);与模型组比较,美沙拉嗪组与隔山消组小鼠体质量变化率显著上升、DAI评分显著下降(
P<0.05,
图4)。
2.4 HE染色及AB-PAS染色
HE染色显示正常组小鼠(
图5A)肠组织结构完整,黏膜上皮细胞排列紧密,无脱落,隐窝结构正常,无炎性细胞浸润;模型组小鼠(
图5B)肠组织出现溃疡,隐窝消融,炎性细胞浸润明显;美沙拉嗪组(
图5C)及隔山消组(
图5D)小鼠肠黏膜无溃疡,隐窝结构基本恢复,炎性细胞浸润明显缓解。AB-PAS染色可观察到正常组小鼠(
图5A)肠组织内黏液充沛,杯状细胞排列整齐,大小一致,隐窝、绒毛无消融;模型组小鼠(
图5B)肠组织杯状细胞排列无序,黏液层缺失,隐窝与绒毛出现消融;美沙拉嗪组(
图5C)及隔山消组(
图5D)小鼠肠组织黏液增多、织杯状细胞排列整齐,基本恢复正常。
2.5 JAK2、STAT3蛋白表达
与正常组比较,模型组JAK2、STAT3蛋白表达显著下降(
P<0.05),经隔山消治疗后其表达均显著上升(
P<0.05,
图6)。
2.6 代谢组学分析
2.6.1 基峰图
采用UPLC-QE-MS技术对小鼠粪便中的代谢物进行分离与鉴别,绘制基峰图(BPC)。模型组(
图7B)与正常组(
图7A)峰高度及保留时间存在明显差异,美沙拉嗪组(
图7C)与隔山消组(
图7D)与正常组图谱差异较小。
2.6.2 代谢轮廓分析
PCA分析样本代谢轮廓,正、负离子模式下,QC样本聚集,表示仪器精密度及稳定性好(
图8A);模型组与正常组明显分离,表示UC改变了小鼠的代谢,经隔山消治疗后,UC小鼠体内代谢水平向正常组靠拢。OPLS-DA分析显示,模型组与正常组、模型组与隔山消组均显著分离,
R2Y均>0.9,
R2X与
Q2 在0.5~ 0.8之间,表明模型拟合度及预测能力良好(
图8B、C)。置换检验分析,
Q2所在回归线与Y轴截距均<0,表明模型无过度拟合,质量好。
2.6.3 差异代谢物的鉴定
根据峰面积、FC及
P值生成火山图(
图9),以FC>1.50或<0.67且
P<0.05、VIP>1筛选出正常组与模型组之间275个差异代谢物,模型组与隔山消组之间210个差异代谢产物,交集共有83个代谢物,以氨基酸、脂质成分为主。绘制差异代谢物热图,展示组间差异(
图10)。
2.6.4 代谢通路
利用差异代谢物KEGG ID分析代谢通路,以Impact>0.01与-lg (p)>0.1进行筛选,差异代谢物富集通路为精氨酸的生物合成、甘油磷脂代谢、嘌呤代谢、甘氨酸、丝氨酸和苏氨酸代谢、精氨酸和脯氨酸代谢等48条通路,选择显著富集的通路可视化(
图11)。
2.7 网络药理学与代谢组学整合分析
将筛选得到的83个差异代谢物与网络药理学得到隔山消与UC的117个交集靶点导入Metabo Analyst 6.0进行分析,构建“代谢物-靶点基因”网络,显示隔山消治疗UC的核心靶点参与了代谢物的调节(
图12)。
3 讨论
UC是一种炎症性肠病,常发生于结肠黏膜及黏膜下层,病程长,易反复,晚期可发展为结直肠癌,严重威胁患者健康
[16]。本研究基于UPLC-QE-MS与网络药理学技术发现,隔山消可通过脂质与动脉粥样硬化等通路调控JAK2、STAT3等核心靶蛋白来治疗UC。动物实验发现,连续1周自由饮用2.5%DSS后,小鼠体质量变化率显著降低、DAI评分显著上升(
P<0.05),结肠组织出现溃疡与炎性细胞浸润,杯状细胞紊乱,隐窝、绒毛消融,表明DSS成功诱导UC小鼠模型。经隔山消治疗,可有效改善UC的各项症状,表明隔山消具有治疗UC的作用。JAK2、STAT3是JAK2/STAT3通路的关键蛋白,JAK2/ STAT3作为经典炎症通路,可调节巨噬细胞极化抑制炎症反应
[17, 18]。本研究发现隔山消调节了UC所致的JAK2、STAT3蛋白的异常表达,使其趋向正常水平。
在UC发生发展过程中,肠道微生态环境发挥关键作用,与宿主内源性代谢物密切相关
[19, 20]。本研究PCA及OPLS-DA分析发现,隔山消治疗可使UC小鼠体内紊乱的代谢物向正常水平恢复。鉴定出3组交集差异代谢物83个,以甘油磷脂、脂质、氨基酸成分为主。与正常组比较,模型组L-赖氨酸、L-精氨酸、溶血磷脂等67个代谢物显著下调;单磷酸腺苷、次黄嘌呤、磷脂酰胆碱等16个代谢物显著上调,主要富集于精氨酸的生物合成、甘油磷脂代谢、嘌呤代谢等代谢通路,提示经DSS造模后,UC小鼠内源性代谢物水平紊乱。经隔山消治疗后,模型组中异常表达的代谢物水平得到调节,趋向正常水平。代谢通路富集结果与网络药理学得出的信号通路关系密切。
脂质是构成人体的基本物质,也是生物膜的主要组成成份,其代谢途径复杂多样,受多因素影响与调控,在维持生物膜正常结构、调节膜离子通道等方面扮演重要角色
[21, 22]。在肠道炎症性疾病发生发展过程中常伴随甘油磷脂代谢异常,磷脂酰胆碱会水解生成溶血磷脂酰胆碱,可作为介质趋化特异性G蛋白偶联受体修饰免疫细胞活化,参与炎症反应,溶血磷脂酰胆碱含量升高会损伤细胞膜,使磷脂代谢失常,严重时造成组织损伤
[23-25]。本研究鉴定出磷脂酰丝氨酸、磷脂酰肌醇、磷脂酰乙醇胺、磷脂酰胆碱、神经酰胺等磷脂类成分,推测调节脂质代谢可能为隔山消防治UC的作用机制。类花生酸是花生四烯酸(AA)的代谢产物,包括前列腺素等代谢物,与肠道敏感性及炎症反应息息相关,生理状态下AA位于细胞膜中,发生炎症反应时,AA以磷脂的形式释放,氧化后产生炎症介质,即类花生酸等代谢物
[26, 27]。本实验鉴定出部分类花生酸差异代谢物,推测调节类花生酸代谢可能为隔山消治疗UC的途径。
细胞生命活动由蛋白质、基因、代谢物等共同维系,上游蛋白质的功能性变化最终会在下游代谢物层面有所体现
[28]。本研究联合网络药理学与代谢组学技术,分析上游靶蛋白与下游代谢物之间的相关性,从整体层面上系统的阐述隔山消防治UC的作用机制,发现隔山消治疗UC的核心靶点参与了脂质、氨基酸等代谢物的调节。氨基酸是生物体内重要活性分子,是生命活动物质基础,可直接参与新陈代谢
[29]。研究发现,氨基酸代谢是肠道炎症相关的关键生物标志物,结肠炎可诱导氨基酸代谢紊乱
[29]。精氨酸既可作为一氧化氮合酶的底物被分解为瓜氨酸和NO,又可在精氨酸酶的作用下生成鸟氨酸与脯氨酸,与细胞生长、代谢及功能关系密切
[30]。瓜氨酸一方面产生于在精氨酸和脯氨酸代谢途径中,另一方面又可在酶的作用下生成精氨酸,可通过降低血氨水平来缓解痛症
[31]。本研究结果显示,与正常组比较,模型组中精氨酸、瓜氨酸水平显著下调,经隔山消治疗后大幅上调,表明隔山消可有效调节炎症引起的精氨酸、瓜氨酸代谢紊乱。
综上所述,本研究联合UPLC-QE-MS、网络药理学及代谢组学技术推测隔山消可能通过多成分、多靶点、多通路调节内源性代谢物水平发挥对UC的治疗作用。本研究中代谢组学主要分析了小鼠粪便内源性差异代谢物情况,后期可结合肠道菌群及血清、肠组织代谢组学等深入研究活性成分对各环节靶点的调节作用,为中药治疗UC提供思路与借鉴。